PENGARUH BENTUK PLAT ARBSORBER PADA SOLAR WATER HEATER TERHADAP EFISIENSI KOLEKTOR. Galuh Renggani Wilis ST.,MT. ABSTRAK

Transkripsi

1 PENGARUH BENTUK PLAT ARBSORBER PADA SOLAR WATER HEATER TERHADAP EFISIENSI KOLEKTOR Galuh Renggani Wilis ST.,MT. ABSTRAK Energi fosil di bumi sangat terbatas jumlahnya. Sedangkan pertumbuhan penduduk dan perkembangan teknologi meningkat pesat. Hal ini menyebabkan penggunaan energy di muka bumi ini semakin bertambah pula. Salah satu upaya mendapatkan sumber energy adalah dengan membuat penelitian penelitian dengan memanfaatkan energy surya seperti pada penelitian ini menggunakan Solar Water Heater atau pemanas air dengan energy surya. Dalam melakukan kajian eksperimen, digunakan Prototipe Solar Water Heater dengan dua jenis tiep absorber yaitu plat absorber tipe datar dan plat absorber tipe bergelombang. Dalam kajian ini data akan diambil pada jam WIB sampai dengan jam WIB hal ini dikarenakan dibulan Oktober 2013cuaca dibawah jam WIB sering terjadi berawan. Penelitian dilakukan di dekat kampus UPS Tegal yang berjarak 500 m dari tepi pantai. Dari analisa dan pembahasan menghasilkan Desain prototipe Solar Water Heater akan digunakan untuk melakukan pengujian unjuk kerja (Effisiensi) 2 (dua) buah plat abasorber yaitu plat seng datar dan plat seng bergelomnang. Plat absorber tipe seng datar memiliki daya serap panas yang tinggi dengan mampu menyimpan panas pada temperatur 56 o C pada jam WIB, sementara plat seng bergelombang mampu menyimpan panas pada temperatur 48 o C pada jam WIB.Nilai Effisiensi maksimal yang diperoleh adalah plat absorber tipe datar sebesar plat absorber tipe bergelombang sebesar Dapat dismpulkan bahwa dalam penelitian dengan menggunakan prototipe Solar Water Heataer bahwa jenis plat absorber seng datar lebih sesuai untuk digunakan sebagai plat absorber. Kata kunci : energy surya, solar water heater, plat arbsorber

2 BAB I PENDAHULUAN Energi fosil di bumi sangat terbatas jumlahnya. Sedangkan pertumbuhan penduduk dan perkembangan teknologi meningkat pesat. Hal ini menyebabkan penggunaan energi di muka bumi ini semakin bertambah. Beberapa upaya dilakukan untuk mendapatkan sember energi alternatif, salah satunya adalah energi surya atau energi matahari. Peralatan dalam rumah tangga juga sudah ada yang menggunakan listrik dari energi surya. Diantaranya solar cell yang menyimpan energi surya kemudian digunakan untuk lampu penerangan di beberapa ruangan dengan watt tertentu. Pemanas air ( water heater) untuk kamar mandi juga sudah ada yang menggunakan panas matahari atau energi surya. Sehingga, diharapkan energi surya yang berlimpah ini dapat kita serap secara maksimal untuk penggunaan yang optimal pada peralatan peralatan listrik dengan cara memodifikasi peralatan atau mencari bahan yang tepat untuk komponen peralatan penyerap surya. Didasari dari uraian diatas, maka penelitian ini dibuat untuk mengetahui efisiensi kolektor solar water heater atau efisiensi kolektor penyerap surya pada alat pemanas air rumah tangga ( water heater) dengan beberapa bentuk plat penyerapnya. Penelitian ini membahas bagaimana menemukan bentuk yang paling baik untuk plat penyerap agar mendapatkan efisiensi sebaik mungkin pada solar water heater serta berapa besar efisiensi dan efektifitas kolektor surya pelat bergelombang dengan bentuk plat yang berbeda beda. Penelitian ini dibatasi hanya pada perhitungan efisiensi kolektor surya dengan penggunaan material seng berbentuk datar dan bergelombang yang dicat hitam. Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mendapatkan bentuk plat arbsorber yang paling tepat untuk digunakan pada solar water heater sederhana dan mengetahui besarnya efisiensi dan efektifitas kolektor surya dengan penggunaan plat yang berbeda bentuknya. Penelitian ini diharapkan menghasilkan kesimpulan tentang bentuk plat yang baik dan mudah didapatkan pada solar water heater sederhana dilihat dari perbandingan besarnya efisiensi dan efektifitas kolektor surya dengan penggunaan plat yang berbeda bentuknya.

3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Kesetimbangan Energi Dimana : A = Radiasi nyata matahari ( W/m 2 ) B = Koefisien pemandangan atmosphere Radiasi yang mengenai suatu material akan mengalami tiga proses yaitu : Absorbsivitas atau kemampuan material untuk menyerap radiasi yang terjadi di permukaan material. (3) Gambar. 1 : Kesetimbangan Energi pada kolektor Persamaan Kesetimbangan Energi : Q a = Q u + Q l + Q s (1) Prinsip kerja kolektor panas adalah pelat absorber menyerap panas dari matahari yang mengenai permukaan absorber dan dikonversikan kebentuk panas, sehingga temperatur plat naik. Panas tersebut kemudian dipindahkan ke pipa pemanas dan ke fluida yang mengalir didalam pipa pemanas, peristiwa ini terjadi secara Radiasi, Konduksi dan Konveksi Radiasi Matahari Besarnya nilai radiasi matahari yang diterima yaitu : (2) Koefisien reflektivitas, adalah ratio antara radiasi yang dipantulkan terhadap radiasi yang terjadi. Koefisien transmissivitas adalah ratio antara kemampuan suatu material untuk meneruskan radiasi matahari yang terjadi dengan total yang terjadi. (5) 2.3. Geometri Matahari Pergerakan dan posisi matahari sangat menentukan besarnya energi yang diterima oleh kolektor. Hal ini dituangkan dalam deklimasi matahari yaitu sudut yang terbentuk anatra sinar datang matahari dengan garis tegak lurus terhadap sumbu

4 polar bidang matahari, sudut deklinasi matahari ini dapat ditentukan dengan (6) ( Ref. : The American Epherimes and Naval Almanac ) Gambar. 2 : Deklinas Matahari Dari ilustrasi diatas, maka dapat ditentukan sudut jam siang matahari. (7) 2.4. Perpindahan Panas Terdapat tiga proses perpindahan panas yaitu Konduksi, Konveksi dan Radiasi Konduksi Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui benda yang diam dimana besar kecilnya perpindahan panas ditentukan oleh karakteristik zat atau benda yang dilalui panas pada waktu tertentu. (8) Radiasi Radiasi adalah proses perpindahan panas dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah tanpa memerlukan zat atau benda penghubung. Panas terpancar dengan cara radiasi gelombang eletromaknetik, perpindahan secara radiasi dipengaruhi oleh, 1. Luas permukaan benda 2. Sifat permukaan benda 3. Kedudukan atau posisi permukaan yang akan menentukan besar pancaran yang dapat diterima oleh permukaan (9) Besarnya energi panas (kalor) yang diserap melalui pipa kolektor dapat dinyatakan dalam persamaan (10) Gambar. 3 : Transmisivitas kaca penutup terhadap sudut datang radiasi (Duffie) Konveksi Konveksi merupakan proses perpindahan panas dari benda yang

5 bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah, benda penghubung adalah fluida. (11) dimana h kv adalah fungsi dari bentuk geometris tempat panas mengalir dan sifat fisik zat yang mengalir. Korelasi yang sering digunakan dalam menentukan perpindahan konveksi adalah : Bilangan Reynold, (12) Bilangan Prandtl, (13) Bilangan Nusselt, (14) menurut ASHRAE Fundamentals Volume memberikan harga koefisien panas untuk beberapa variasi permukaan. h = 5,50 + 2,70 V untuk kaca h = 10,21 + 4,57 V untuk batu bata h = 11, ,68 V untuk batu kapur Persamaan nilai koefisien konveksi (h) merupakan fungsi dari kecepatan angin yang dirumuskan : (Adam s) h = 5,7 + 3,8 V untuk kecepatan angin 5 m/s h = 10,21 + 4,57 V untuk kecepatan angin 5 V 30 m/s 2.5 Laju aliran energi yang digunakan atau Panas yang berguna. Laju aliran energi yang digunakan dalam absorber dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : (15) (16) (17) 2.6. Rugi Rugi Panas (Q L ) Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan dipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total, luas permukaan plat absorberb dan beda temperatur absorber dengan lingkungan (18) (19) 2.7. Effisiensi Thermal Kolektor Effisiensi thermal kolektor ditentukan oleh besarnya panas yang diterima kolektor sebesar (Q in ) terhadap panas yang dimanfaatkan (Q u ), maka effisiensi kolektor adalah : (20) (21)

6 Sedangkan effisiensi atual adalah, (22) (23) METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Dalam melakukan kajian eksperimen, digunakan Prototipe Solar Water Heater dengan dua jenis tiep absorber yaitu plat absorber tipe datar dan plat absorber tipe bergelombang. Dalam kajian ini data akan diambil pada jam WIB sampai dengan jam WIB hal ini dikarenakan dibulan Oktober 2013cuaca dibawah jam WIB sering terjadi berawan. Penelitian dilakukan di dekat kampus UPS Tegal yang berjarak 500 m dari tepi pantai. Pelaksanaan dan Metoda Pengambilan Data 1. Prototipe Solar Water Heater yang dilengkapi dengan : a. Panel Kolektor, b. Thermo sensor (untuk sistem dan untuk pengukur suhu lingkungan), c. Flow meter d. Pompa air. Tampak Belakang Tampak Depan Gambar. 4 : Prototipe Solar Water Heater 2. Jenis Panel Kolektor yang digunakan dalam kajian eksperimen a. Panel Kolektor plat datar Gambar. 5 : Panel Kolektor Plat Datar

7 b. Panel Kolektor Plat Bergelombang f. Kaca transparan tebal 5 mm, yang memiliki nilai absorbtivitas (α) 0.06 dan refleksi (ρ) Gambar. 6 : Panel Kolektor Plat Bergelombang Material panel kolektor masing masing terdiri dari : a. Rangka luar, terbuat dari kayu yang dilapisi cat. b. Isolator dari glass wool atau ceramic wool dengan konduktivitas thermal ( k = W/m o C ). c. Pipa pemanas diameter 0.5 inch dengan konduktivitas thermal ( k = 202 W/m Absorbtivitas ( 0.15 ) d. Plat datar tebal 0.5 mm e. Plat gelombang tebal 0.5 mm o C ) dan Cara Kerja Alat Air dialirkan ke dalam Tanki 1, aliran fluida dialirkan ke dalam pipa pemanas dengan mengatur debit sebesar 10 liter per menit ( 10 lpm), sensor temperatur yang ditempatkan di 3 (tiga) titik akan membaca nilai temperatur yaitu : 1. Saluran masuk pompa ( sebagai nilai awal atau T in ) 2. Panel kolektor ( sebagai T k ) 3. Saluran keluar dari pipa pemanas ( sebagai T out ) Gambar. 7 : Skema Daigram Alat kerja

8 HASIL DAN PEMBAHASAN Pelaksanaan Pengujian Setelah melakukan percobaan peralatan prototipe Solar Water Heater dengan menvariasikan jenis panel absorber ( Plat datar dan bergelombang ) maka dapat dilakukan perhitungan nilai effisiensi masing masing plat absorber dengan ketentuan percobaan dilakukan pada kondisi steady state, sudut kemiringan kolektor tetap 15 derajat dan debit air yang mengalir ke dalam pipa pemanas tetap sebesar 0.7 lpm. Dari hasil pengujian prototipe maka dapat diperoleh hasil dan data sebagai berikut: Analisa Data Plat Absorber Datar Debit Air = 0.7 liter per menit dengan panas Spesifik (Cp = 1,0102 KJ/Kg o C Sudut kemiringan = 15 derajat kolektor Konduktivitas thermal pipa = 202 W/m 2o C Nilai Absorbsivitas pipa = 0.15 Kond.Isolator glass wool = W/m o C Konduktivitas Triplek = 0.17 W/m 2 o C Absorbsivitas Kaca = 0.06 Kecepatan angin rata-rata = 10 m/s Tebal Triplek = 10 mm Tebal Isolator = 60 mm Tebal kacar = 5 mm Luas Absorber = m x 0.42 m m 2 Luas bagian bawah = 0.65 m x 0.49 m m 2 Luas Samping kanan, kiri = masing masing ; 0.65 m x 0.16 m m 2 Luas Depan, belakang = masingmasing; 0.49 m x 0.16 m m 2 n Waktu T Huma o ( Jam ) ( o C ) dity ( %) T in T k T out ( o C ) ( o C ) ( o C ) Panas yang diserap oleh pipa absorber Dengan menggunakan tabel...mengenai instensitas radiasi matahari yang diperoleh dari BMKG kota tegal dan sekitarnya pada 20 Oktober 2013 maka dapat ditentukan temperatur langit dan intensitas radiasi matahari Selain itu sudut datang radiasi matahari dapat diperoleh dari gambar.3 (Transmisivitas kaca penutup terhadap sudut datang radiasi (Duffie). Dari persamaan No

9 10 maka dapat ditentukan panas yang diserap oleh pipa absorber. Rugi Panas dari Samping ( Melalui 4 Sisi ) Isolator = Watt Ta h Triplek Rugi Rugi Panas yang terjadi Ts Dari persamaan No. 18 maka dapat Ta R1 R2 T s ditentukan jumlah rugi panas yang keluar dari sistem sebgai berikut : Gambar 9 : Ilustrasi Isolator bagian samping Rugi Panas dari Bawah Ta = 2.38 Watt R1 h Rugi Panas dari atas Tb Koefisien perpindahan panas total pada R2 bagian atas dapat rumuskan dan Tb Gambar 8 : Ilustrasi Isolator bagian belakang diilustrasikan sebagai berikut : Kaca T f h T Nilai h, untuk kecepatan angin 5 V 30 Ta h Tb Isolator Triplek R R m/s adalah h = W/m 2 o C Sehingga, Gambar 10 : Ilustrasi Pelepasan Panas dari Atas. R T Dimana, R k = Tahanan thermal kaca,

10 t = tebal kaca, mm kaca. k = konduktivitas thermal kaca ; 0.78 W/m o C R c = Tahanan Thermal konveksi dari tutup ke lingkungan h f = (V), ---- koefisien konveksi untuk V = kecepatan udara disekitar kolektor - ± 5 m/s R r = Tahanan Thermal radiasi antara penutup dengan lingkungan σ = Konstanta Boltsman ; 5.67 x 10-8 W/m K ε = Emisivitas kaca ; 0.9 T 2 = Temperatur kaca (K) Plat Absorber bergelombang Debit Air = 10 liter per menit Sudut kemiringan = 15 derajat kolektor Konduktivitas thermal pipa =202 W/m 2 o C Nilai Absorbsivitas pipa = 0.15 Kond.Isolator glass wool = W/m o C Konduktivitas Triplek = 0.17 W/m 2 o C Absorbsivitas Kaca = 0.06 Kecepatan angin rata-rata = 10 m/s Tebal Triplek = 10 mm Tebal Isolator = 60 mm Tebal kacar = 5 mm Luas Absorber = m x 0.42 m m 2 Luas bagian bawah = 0.65 m x 0.49 m m 2 Luas Samping kanan, kiri = masing masing ; 0.65 m x 0.16 m m 2 Luas Depan, belakang = masingmasing; 0.49 m x 0.16 m m 2 No. Waktu T Humadity ( Jam ) ( o C ) ( %) T in T k T out ( o C ) ( o C ) ( o C )

11 Secara Empiris perhitungan untuk plat absorbe bergelombang adalah menggunakan persamaan yang sama sehingga diperoleh nilai effisiensi sebagai berikut : Dari hasil perhitungan maka diperoleh tabel Heat Loss untuk hasil pengujian sebagai berikut : Time F' Uf Us Ub Ak Tr T (Uf+Us+Ub) Tr-T Qloss No. (Jam) (Watt) (Watt) (Watt) m2 C C W/m C C Watt ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , ,955 Tabel 2: Heat Loss untuk Plat Datar No. Time F E glob Ak τ α UL Tr T E glob*ak*τ*α Tr-T E glob*akak(tr-t ) Ul*Ak(Tr-T ) Eff = F'*(E glob*ak*τ*α)- (UL*Ak*(Tr- T )))*100% W/m2 m2 W/m C C C C ,85 913,1 0,25 0,9 0,15 42, , , ,728 20, ,85 913,1 0,25 0,9 0,15 63, , , ,638 59, ,85 913,1 0,25 0,9 0,15 74, , ,275 3,5 259, , ,85 913,1 0,25 0,9 0,15 74, , ,275 3,5 259, , ,85 913,1 0,25 0,9 0,15 52, , ,275 2,75 145, ,75 Tabel 3 : Effisiensi untuk Plat Datar Time F' Uf Us Ub Ak Tr T (Uf+Us+Ub) Tr-T Qloss No. (Jam) (Watt) (Watt) (Watt) m2 C C W/m C C Watt ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , , ,85 21,77 2,38 0,77 0, , ,6595 Tabel 4 : Heat Loss untuk Plat Gelombang

12 No. F' E glob Ak τ α UL Tr T E glob*ak*τ*α Tr-T E glob*ak Ak(Tr-T )Ul*Ak(Tr-T ) Eff=F'*(E glob*ak*τ* α)- (UL*Ak*(Tr- T )))*100% W/m2 m2 W/m C C C 1 0,85 913,1 0,25 0,9 0,15 42, , ,275 0,75 31,773 0,36 2 0,85 913,1 0,25 0,9 0,15 63, , ,275 1,75 111, ,93 3 0,85 913,1 0,25 0,9 0,15 74, , ,275 2,5 185, ,54 4 0,85 913,1 0,25 0,9 0,15 74, , ,275 2,25 166, ,64 5 0,85 913,1 0,25 0,9 0,15 52, , ,275 2,25 119, ,89 Tabel 5 : Effisiensi untuk Plat Gelombang Gambar 9 :Grafik Heat Loss

13 Gambar 10 : Grafik Effiseinsi KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN Dari analisa dan pembahasan hasil pengujian, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : 1. Desain prototipe Solar Water Heater akan digunakan untuk melakukan pengujian unjuk kerja (Effisiensi) 2 (dua) buah plat abasorber yaitu : a. Plat seng datar. b. Plat seng bergelomnang 2. Plat absorber tipe seng datar memiliki daya serap panas yang tinggi dengan mampu menyimpan panas pada temperatur 56 o C pada jam WIB, sementara plat seng bergelombang mampu menyimpan panas pada temperatur 48 o C pada jam WIB. 3. Nilai Effisiensi maksimal yang diperoleh adalah sebgai berikut : a. Plat absorber tipe datar sebesar b. Plat absorber tipe bergelombang sebesar Dari analisa dan kesimpulan diatas, maka dapat dinyatakan bahwa dalam penelitian dengan menggunakan prototipe Solar Water Heataer bahwa jenis plat absorber seng datar lebih sesuai untuk digunakan sebagai plat absorber.

14 SARAN : Terdapat saran yang dapat diberikan sebagai berikut : 1. Perlu dilakukan percobaan panel kolektor dengan menempatkan material tambahan diantara isolator dan triplek rangka pada bagian bawah dan samping untuk menjagi rugi-rugi panas yang besar. 2. Perlu dilakukan kajian dan percobaan dengan memvariasikan sudut permukaan kolektor untuk mendapatkan sudut effisiensi yang maksimal DAFTAR PUSTAKA 1. Arismunandar,W., 1995, Teknologi Rekayasa Surya, PT.Pradnya Paramitha Jakarta 2. J. A. Duffie, W. A. Beckman, Solar Engineering Of Thermal Processes, Third edition, copyright@2006 byjohn Wiley & Sons, Inc 3. Caturwati NK,Yuswardi Y, Nino S. 2012Peningkatan Absorbsi Radiasi Matahari pada Solar Water Heater dengan Pelapisan Warna Hitam, Cilegon 4. J.P.Holman & E. Jasifi,1997, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta 5. Nugroho Gama Yoga,dkk Kaji Ekperimental Pemggunaan Pipa Kalor Dalam Kolektor Surya Sebagai Penyerap Energi Termal Surya Umtuk Penyuplai Pompa Kkalor Temperatur Tinggi.Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9 Palembang, Oktober Satwiko,dkk,2011, Studi Rancang Bangun Solar Water Heater Menggunakan Berbagai Jenis Kaca Kolektor, UNJ Jkt. 7. Sutrisno.2002, pengujian kolektor surya pemanas air dengan menggunakan pelat absorber gelombang dengan dan tanpa honeycomb.,its Sby. 8. Yanuar Rizal, 2009, Rancang Bangun Pemanas Air Tenaga Surya Arbsorber Gelombang tipe Sinusoidal dengan Penambahan Honeycomb, ITS Sby.